Brückenkonfigurationen für Drucksensoren
Dieser Artikel beschreibt Brückenkonfigurationen verschiedener Drucksensoren, wann sie verwendet werden können und wann nicht, sowie die jeweiligen Vor- und Nachteile.
Einführung
Die Wheatstone-Brücke ist das Herzstück von Merit Sensor Si-Drucksensoren und besteht aus einer Gruppe von vier Widerständen auf einer mit Silizium geätzten Membran. Wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird, werden die Widerstände belastet, was ihren Widerstand ändert.
In einer idealen Einstellung wären alle Widerstände perfekt aufeinander abgestimmt und völlig unabhängig von der Temperatur.
In der Praxis bestehen jedoch Unterschiede zwischen den Widerstandswerten jedes Widerstands. Darüber hinaus ändert die Temperatur auch die Widerstandswerte. Die durch die Temperatur verursachte Änderung der Widerstandswerte und des gesamten Brückenausgangs wird als Temperaturkoeffizient des Widerstands oder TCR bezeichnet.
In vielen Anwendungen wird ein temperaturunabhängig arbeitender Drucksensor benötigt. Solche Anwendungen erfordern die Kompensation des TCR des Drucksensors.
Die TCR-Kompensation kann auf zwei allgemeine Arten erfolgen – passiv und aktiv. Bei der passiven Kompensation müssen die Werte jedes Brückenwiderstands gemessen werden, um die für die Kompensationswiderstände erforderlichen Werte zu bestimmen.
Bei der aktiven Kompensation zeichnet eine analoge Schaltung, ein Mikrocontroller oder Signalkonditionierer den Brückenausgang über verschiedene Druck- und Temperaturbedingungen hinweg auf und passt die Sensorausgänge entsprechend an.
Bridge-Konfigurationen
a. Abgeschlossen – Eine Brücke, in der alle Widerstände verbunden sind (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1. Geschlossene Brücke.
In einer geschlossenen Brücke können einzelne Widerstände nicht gemessen werden, da die anderen drei Widerstände der Brücke immer einen Einfluss auf sie haben.
b. Halb offen – Eine halboffene Brücke wird in zwei Zweige geteilt und an einem Ende verbunden (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2. Halboffene Brücke.
Im Gegensatz zu einer geschlossenen Brücke ermöglicht eine halboffene Brücke die Messung jedes Widerstands, was von Vorteil ist, wenn die Leistung des Sensors bestimmt werden muss. Darüber hinaus ermöglicht eine halboffene Brücke je nach Bedarf das Hinzufügen einer aktiven oder passiven Kompensation.
Eine zusätzliche elektrische Verbindung wird durch eine halboffene Brücke benötigt.
c. Voll geöffnet – Eine vollständig offene Brücke ist in zwei Zweige unterteilt und an beiden Enden offen (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3. Vollständig geöffnete Brücke.
Ebenso wie die halboffene Brücke ermöglicht auch die volloffene Brücke die Messung für jeden Widerstand. Es kann entweder aktiv oder passiv kompensiert werden. Darüber hinaus kann jede Hälfte der Brücke unabhängig voneinander mit Strom versorgt und gemessen werden, was ein Vorteil ist, da einige Signalkonditionierer üblicherweise in verwendet werden Drucksensoranwendungen erfordern zwei unabhängige Zweige.
Die vollständig offene Brückenkonfiguration erfordert jedoch eine zusätzliche elektrische Verbindung, die über die hinausgeht, die von der halboffenen Konfiguration benötigt wird.
Beispiele für Implementierungen
a. Abgeschlossen – Da es nicht möglich ist, die einzelnen Widerstände in einer geschlossenen Brücke zu messen, kann es mit aktiver Kompensation oder in einer Anwendung verwendet werden, in der temperaturbedingte Schwankungen des Sensorausgangs akzeptabel sind.
Eine geschlossene Brücke mit aktiver Kompensation ist in Bild 4 dargestellt.
Abbildung 4. Geschlossene Brücke mit Schnittstellengerät (Signalkonditionierungs-ASIC, Mikrocontroller, analoge Schaltung usw.)
Ein Druckschalter ist ein Beispiel für eine geeignete Anwendung für eine geschlossene Brücke, bei der Temperaturunabhängigkeit nicht kritisch ist. Hier ist das Wissen um das Erreichen einer Druckschwelle wichtiger als die Messung des Absolutdrucks.
b. Halb offen – Wie in Abbildung 4 gezeigt, kann die halboffene Brücke aktiv kompensiert werden. In ähnlicher Weise kann eine passive Kompensation auch auf die halboffene Brücke angewendet werden, wie in Abbildung 5 gezeigt.
Abbildung 5. Halboffene Brücke mit passiver Kompensation.
Abbildung 5 zeigt die Implementierung einer halboffenen Brücke mit passiver Kompensation, wobei darauf hingewiesen wird, dass zusätzliche Komponenten und die zusätzliche elektrische Verbindung (Vein+) werden benötigt, um die Brücke zu schließen. Wie der Name schon sagt, sorgen zusätzliche Widerstände für Span-, Nullpunkt- und Ausgangsimpedanzkompensation. Diese Komponenten müssen nach Durchführung der Open-Bridge-Messungen bei den erforderlichen Bedingungen hinzugefügt werden.
c. Voll geöffnet – Die vollständig offene Brücke hat eine umfangreiche Auswahl an Implementierungen. Neben der Verwendung als vollständig offene Brücke kann die vollständig offene Brücke als geschlossene (Abbildung 4) oder halboffene Brücke (Abbildung 5) verwendet werden. Abbildung 6 zeigt, wie eine vollständig offene Brücke für zwei Funktionen verwendet werden könnte – Druck und Temperatur.
Abbildung 6. Vollständig geöffnete Brücke mit zwei Funktionen.
In dieser Implementierung wird die Hälfte der Brücke als verwendet Drucksensor und der andere wird als Temperatursensor verwendet. Da nur der Spannungshub der halben Brücke vorhanden ist, ist auch nur das halbe Druckausgangssignal vorhanden. Dies bietet jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass die tatsächliche Chiptemperatur gemessen wird. Im Vergleich zu einer Umgebungstemperaturmessung ermöglicht diese Temperaturmessung eine genauere Eingabe für die Temperaturkompensation.
Auswahl der geeigneten Konfiguration für eine Anwendung
Bei Entscheidungen über die Brückenkonfiguration muss das gesamte Sensorsystem berücksichtigt werden. Zunächst müssen Benutzer entscheiden, ob die Temperaturunabhängigkeit signifikant ist. Wenn es wichtig ist, müssen sie entscheiden, ob passive oder aktive Kompensation verwendet wird. Wenn die aktive Kompensation ausgewählt ist und ein Signalkonditionierer oder ein anderes elektronisches Gerät verwendet wird, sollte es die Anforderungen dieses Geräts erfüllen. Es ist Vorsicht geboten, da Geräte mit ähnlichen Funktionen sehr unterschiedliche Anforderungen haben können.
Wie bereits erwähnt, hat jede Konfiguration ihre eigenen Vor- und Nachteile. Obwohl die zusätzlichen elektrischen Verbindungen einer vollständig offenen Brücke die Montage noch komplizierter machen, ermöglicht sie mehr Flexibilität und bietet auch die Möglichkeit, Brückenprobleme einfacher zu beheben.
Letztendlich muss die Bridge-Konfiguration basierend auf einer gründlichen Analyse des Systems ausgewählt werden.
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